新的宇宙曙光

哈勃太空望远镜拍摄的原始深场照片是天文学中最具标志性的图片之一。这张图片由数量惊人的遥远星系组成,星系镶嵌在黑色的背景之上,它是哈勃在1995年12月对大熊座的一小块区域进行了一系列观测之后得到的。受这张经典照片启发,天文学家们开始计划一项新任务来研究早期宇宙——这项任务可以看到更早的宇宙,观测到宇宙大爆炸之后3亿年就已经存在的最早的星系。但要做到这一点,需要一个有史以来最大的望远镜,一个比哈勃2.4 m的镜子大得多的望远镜。答案是:下一代太空望远镜(Next Generation Space Telescope,NGST),这是一个巨大的太空望远镜,拥有6.5 m的拼接式主镜,它有望实现一系列新的发现。     

新的宇宙曙光

哈勃太空望远镜拍摄的原始深场照片是天文学中最具标志性的图片之一。这张图片由数量惊人的遥远星系组成,星系镶嵌在黑色的背景之上,它是哈勃在1995年12月对大熊座的一小块区域进行了一系列观测之后得到的。受这张经典照片启发,天文学家们开始计划一项新任务来研究早期宇宙——这项任务可以看到更早的宇宙,观测到宇宙大爆炸之后3亿年就已经存在的最早的星系。但要做到这一点,需要一个有史以来最大的望远镜,一个比哈勃2.4 m的镜子大得多的望远镜。答案是:下一代太空望远镜(Next Generation Space Telescope,NGST),这是一个巨大的太空望远镜,拥有6.5 m的拼接式主镜,它有望实现一系列新的发现。     

宇宙极早期的剧涨

 在为数众多的宇宙演化理论中,目前为大多数科学家所接受的就是热宇宙标准模型,即我们通常所说的大爆炸学说.大爆炸学说是建立在爱因斯坦的广义相对论和近代物理理论基础上的,它得到了与观察事实相符合的一系列结论,譬如:它可解释目前的宇宙处在膨胀之中和宇宙中氦的丰度等,并预言了宇宙中存在3K微波背景辐射(已于1965年由彭齐斯和威尔逊证实,他们俩为此荣获了1978年度的诺贝尔物理学奖金).但是,就像通常刚建立的物理理论一样,随着研究的进一步深入,科学家们发现了它的几个致命缺陷,这些缺陷可归纳为以下几点:一、视界问题.这是在解释可观察宇宙的大尺度均匀性时所遇到的问题.在微波背景辐射的研究中已证实宇宙有一个非常重要的特征量--宇宙等效温度,简称宇宙温度.根据微波背景辐射中已测出的辐射能量密度及其频率,再利用普朗克黑体辐射公式,就可知道当今的宇宙温度为2.7K;这说明了宇宙在大尺度范围内是处在热平衡之中的(否则就没有宇宙温度可言).但大爆炸理论诉告我们:在混沌初开时,宇宙是一个灼热的奇点.但随着爆炸过后,需要多长时间才能达到热平衡状态呢?     

寻找一个自洽的常数

正在宇宙学发展的历程中,最伟大的发现是天文学家哈勃意识到了宇宙在膨胀。这一突破为我们了解宇宙年龄、微波背景辐射和宇宙大爆炸奠定了基础。哈勃是一位拥有天时地利人和机缘的天文学家。1923年,利用美国加州威尔森天文台2.5 m胡克望远镜,他在"旋涡星云"中观测到了造父变星,这类变星具有很好的周期-光度关系,可以用来测量距离。所得距离     

哈勃及其科学成就

美国天文学家哈勃（图1）在星系研究领域做出了一系列杰出的贡献。他确定了我们所处的银河系以外还存在河外星系,并证明了宇宙处于不断的膨胀之中,这使爱因斯坦修改了他的宇宙学方程,最终引出了关于宇宙起源的“大爆炸”理论。从1929年哈勃发现星系的红移现象到现在已经整整80周年了,它的建立使天文学成为理论与观察空前统一的现代科学,因此撰此文以纪念之。     

美国“钱德拉”望远镜发现最遥远X射线流

天文学家从美国宇航局“钱德拉”X射线观测望远镜拍摄的类星体照片上 ,发现了最遥远的X射线流 ,从超巨黑洞到类星体中心延伸达 1 0万多光年的由高能粒子组成的这一射流 ,为天文学家提供了有关 1 2 0亿年前宇宙微波背景状态的信息。它能研究大爆炸后经过 1 4亿年的宇宙辐射 ,而此前最遥远的X射线流是在大爆炸后 30亿年左右。天文学家认为 ,类星体是拥有活跃中心超巨黑洞的星系 ,恒星与气体都被吸入这黑洞 ,这一吸入过程经常伴随有强烈高能粒子流的形成。当射线流中的电子以接近光速的速度离开类星体时 ,电子会穿透宇宙背景辐射“海洋” ,宇…     

星系团之间的交流

 虽然大爆炸发生在很久以前,但是宇宙诞生之初产生的热光子仍然弥漫宇宙,形成宇宙微波背景(如图).这些古老的光子揭示了大爆炸许久之后诞生的星系团的运动特点.这些光子穿梭于星系团的热气体中,热气体增加了光子能量,缩短了其波长,导致所谓的苏尼亚耶夫- 泽尔多维奇效应(Sunyaev-Zel'dovicheffect), 亦称SZ 效应, 因两位俄罗斯科学家在天文学家发现之前预言了该效应而得名.不过他们也同时预言星系团的运动也会影响光子,却至今都未观测到.有天文学家在7 月20 日出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters) 报道, 他们已从数以千计的星系中归纳出微弱信号,探测到所谓的运动学苏尼亚耶夫- 泽尔多维奇效应.正如人们所料,该结果发现星系团之间在引力的影响下,倾向于做着相向运动.进一步的观测可能更具启示：这将有助于确定令宇宙膨胀加速的神秘力量的性质.     

宇宙将永远膨胀下去

 大部分宇宙学家认为,宇宙─-它目前的膨胀速度比以往任何时候都缓慢─-最终或者会逐渐地实际上停顿下来,不再膨胀;或者膨胀停止后会重新开始收缩。现在,两位研究人员表明,根据来自宇宙背景辐射探测卫星（ＣＯＢＥ）测量到的数据,可以判断;宇宙将会无限期地膨胀下去．微波背景辐射存在的踪迹遍及整个宇宙,它被认为是宇宙大爆炸的遗迹．在天空的不同区域,这一辐射的温度有着轻微的差别,其数值为十万分之一左右．人们认为,这种差别为星系的形成──当宇宙处于青的期时──提供了线索．爱因斯坦的广义相对论指出,宇宙会拥有三种可能模型中的一种,每种模型同时也决定了宇宙的命运．     

欣欣向荣的宇宙学

 一度被称为“天文学坟墓”的宇宙学现在正欣欣向荣。一系列丰富的科研成果和新仪器装置的研制,使人们感到宇宙学的前景是光明的。 长期以来,人们将１Ａ型超新星作为测量空间距离的“标准光强”,对它们的表观亮度的测量给出了它们的距离值。但是,这一方法很容易出错,不同的实验可以得到不同的结果。有人提出如何通过对衰减率和颜色进行校正的新方法,从而得到数值为５９±７的哈勃常数,它所相对的宇宙年龄约为１７０亿年。 宇宙学的另一个参数是ω,它是宇宙中的物质与阻止宇宙膨胀所需临界量的比。大爆炸膨胀模型预期ω必须精确等于１,宇宙才是“膨胀的”。     

中微子在其他学科研究中的应用

 目前宇宙学研究认为,中微子生成于137亿年前宇宙诞生后持续扩张、冷却的过程中。理论认为,这些中微子形成了绝对温度为1.9K(-271.2℃)的宇宙背景辐射(有别于另一种宇宙大爆炸理论所预言的"微波背景辐射",其温度为2.7K)。宇宙中其他能量的中微子源于星体活动和超新星爆发的过程。因此,随着宇宙的诞生,便有了中微子的存在。     

霍金的开放宇宙新理论

２０世纪的天文观测表明，宇宙正处于膨胀的演化过程中．在时间上往过去反推，人们估计在１００多亿年前宇宙是处于极其紧致极其炽热的所谓大爆炸奇性的状态．宇宙的演化必须服从爱因斯坦引力场方程．但是不同的初始状态会导致不同的演化．大爆炸奇性从何而来或者宇宙从何...     

哈勃扩大了我们对宇宙的视野

大多数的科学家一直到20世纪20年代中期都还认为银河（Milky Way,指地球所在的银河系）就是整个宇宙,而宇宙是静止不变的。然而,天文学家哈勃（Edwin Hubble）于1925年1月和1929年1月所宣布的两个发现却彻底改变了我们对宇宙的看法,他的第一个发现说明宇宙比大家先前所想的要大很多,第二个指出宇宙会持续膨胀,不断地越变越大。     

发现暗物质存在的直接证据

美国天文学家宣布观测到暗物质．人们相信暗物质这种神秘的物质在宇宙中的总量约占宇宙总量的1／4，是“明物质”（普通物质）的5倍，在遥远的30亿光年之外有两个巨大的星系正在发生碰撞，美国NASA的钱德勒X射线望远镜和哈勃望远镜、欧洲南方天文台的超大望远镜和麦哲伦望远镜都在观察着这个壮丽的宇宙奇观，碰撞的能量非常巨大，以致使暗物质和明物质发生分离，这给了我们一个非常好的研究暗物质的机会，虽然科学家们至今仍在研究神秘的暗物质究竟以什么形态存在，但有确凿的证据显示这个宇宙中的物质大部分是暗物质。（相关论文将于近日在《天体物理杂志》发表）     

2006年诺贝尔物理学奖——宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性

相传约137亿年前我们的宇宙起源于“盘古开天地式的大爆炸”，能量密度和温度均超高无比，却绝无什么特殊的“爆炸”中心，在足够大的尺度上均匀且各向同性，一直持续膨胀至今．刚开始的时候，随着宇宙温度的迅速降低，若干基本粒子物质相继浮现，宇宙早期的核合成过程制备形成了宇宙时空中第一代恒星形成之前的大致原初元素丰度分布．宇宙“大爆炸”发端时空中的能量场应当有量子涨落；耦合演化到后来呈现的物质场中，这些微弱而此起彼伏的涨落逐渐被引力在各种不同层次上放大，从而最终形成宇宙时空中不同尺度的物质结构系统（包括超星系团、星系团、星系、球状星团、恒星、行星等）．伴随着宇宙膨胀，有一个温度不断下降的热电磁辐射场被“捂”在物质场中；大约在389000年以后，这个热电磁辐射场基本不再与物质相互耦合作用，但它依然带有早期物质场中各处涨落的信息烙印．基于Einstein创立发展的广义相对论（1915年），Einstein（1917年）、Friedmann（1922年）、Lemaitre（1927年）、de Sitter（1932年）开辟了近代理论宇宙学的先河．Hubble（1929年）公布了遥远的星系退行速度正比于它们到我们的距离的划时代观测事实．基于宇宙元素丰度和核合成物理，Gamow，Alpher和Herman于1940—1950年大胆设想了宇宙“大爆炸”的物理框架图像．Penzias和Wilson（1964年）在贝尔试验室从事微波天线研究时意外地发现了2．7K宇宙微波背景辐射．经过多年的精心设计和准备，Mather和Smoot（1989—1994年）领导的“宇宙背景探索器”（COBE）空间试验精确地测量宇宙微波背景辐射的黑体谱和微弱的各向异性涨落；他们俩因此荣获2006年度的物理诺贝尔奖．90年来，科学家们众说纷纭，唇枪舌战，搜索证据，编造理论．随着地面、高空和空间综合试验及理论研究的持续迅速发展，精确宇宙学的时代已经到来．     

从2006年诺贝尔物理学奖谈起

2006年诺贝尔物理奖表彰马瑟和斯穆特教授,以他们为首的学者利用宇宙背景探索者卫星(COBE)的数据,证实宇宙微波背景辐射的黑体形式,并发现各向异性。这是对精确宇宙学这些重要成果的肯定。诺贝尔奖的网站记载了当天对斯穆特教授的电话采访:“作为这些观测的结果,作为被证实的大爆炸理论,现在很好地被接受了。是这样的吗?”斯穆特教授立即回答:“大爆炸理论是被接受的宇宙论。(我们)绝不能完全证实任何理论,不过,它是被接受的宇宙论。”在肯定大爆炸宇宙论的同时,斯穆特教授强调“绝不能完全证实任何理论”。这无疑是正确的;但也反映了以广…     

宇宙大爆炸中生成的氘气

在宇宙最初几分钟时的元素合成（大爆炸核合成）问题是核天体物理中的重要问题。这一合成过程产生的氘与氢的比值（D／H）是固定的，与我们在今天的宇宙中所看到的一样，大爆炸过程也产生了原初的轻的原子，这些原子又形成星体，根据加州理工学院的研究人员的研究结果，通过测量宇宙微波背景辐射被“宇宙黑暗年代”中存在的中性气体吸收的情况，可以计算出D／H比值。（“宇宙黑暗年代”大约处在大爆炸后十万年到十亿年之间．）氢和氘吸收不同波长的宇宙微波背景光子，这种测量需要观测由空间不同位置上氢与氘气体密度的变化所引起的吸收的微小涨落。例如，宇宙中具有高密度的氢原子区域比低密度区域要吸收更多的宇宙微波背景光子。     

探索加速膨胀的宇宙

<正>暗能量巡天项目对近2亿星系的观测将帮助我们确定宇宙的加速膨胀是否起源于宇宙学常数的驱动,还是起源于一种新的具有动力学性质的能量的驱动,又或是由超出广义相对论之外的物理所造成。1998年,两个研究遥远超新星的研究组分别宣布了宇宙膨胀在加快的观测证据,这震惊了物理学界。这一非凡的发现随后得到了其他观测的确认,因此在2011年被授予诺贝尔物理学奖。在这一发现后的15年间,天文学家已经采用不同的方法更加准确地测量了今天称为标准协和宇宙学模型中的与宇宙加速度相关的参数及其他的参数。     

在近代物理学“基础课”中介绍宇宙学概念

目前的近代物理学基础课程包括了狭义相对论、原子物理和量子力学初步,是力学、热学、电磁学和光学的后继课程,应属于普通物理范围。宇宙学则是现代物理的前沿学科,它的基本概念和发展正日益引起人们的关注。我们认为,在近代物理基础课程中向学生介绍宇宙学的一些基本概念是很有必要的、也是可行的。 在讲授狭义相对论时,不少学生很容易把物体的速度不能超过光速推广到整个宇宙。这时我们向学生介绍宇宙学中的哈勃定律,即星系远离地球而去的速度与星系离地球的距离成正比关系:v=H_0d(其中哈勃常数H_0=150公里/秒·千万光年,d是星系离地球的距离,v是星系退行速度)。如果d≥v/H_0(c:光速)则该星系的退行速度将超过光速,它所发出的光于将不能到达我们地球。并向学生简单介绍大爆炸宇宙模型和膨胀宇宙的概念,解释夜为什么是黑的。这时,学生很容易理解夜黑是宇宙膨胀的结果。 讲授完普朗克黑体辐射后,可进一步介绍宇宙学中微波背景辐射概念。指出宇宙背景辐射谱相当于约     

“色即是空”的物理学解析

我们人类能够感知到的这个宇宙是有限的,这一点在科学界已经无可置疑,因为宇宙在时间上是有限的,形成已有大约150亿年的时间,那么它在空间上也必然是有限的.2008年2月哈勃望远镜拍摄到距地球130亿光年的最远星系,科学家称这些星系已经很接近宇宙的边缘,宇宙的边缘距离地球约为150亿光年(150亿光年的距离和150亿年的形成时间似乎是一个巧合).     

南极望远镜首次探测到宇宙微波背景辐射中的B-模式光偏振

<正>一个观测团队使用南极望远镜(SPT),已经对宇宙微波背景辐射(CMB)中的B-模式光偏振做出了首次探测(见图1)。在CMB中,这种具有微妙卷曲特性的偏振光组分早已被预言存在。作为宇宙大爆炸模型的关键预言之一,它的被证实将为暴胀理论的最终测试铺平道路。Chuck Bennett是美国马里兰州霍普金斯大学CMB观测站的首席科学